Recherche sur l'industrie des batteries à l'état solide
Aujourd'hui, les véhicules à énergie nouvelle se sont progressivement imposés sur le marché de l'automobile, et la batterie des véhicules à énergie nouvelle est devenue une préoccupation majeure pour de nombreux consommateurs. batterie à l'état solide est devenu un nouveau type de batterie très populaire.
Table des matières
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
1. Définition de la batterie à l'état solide
Selon la classification de l'électrolyte, les batteries au lithium peuvent être divisées en quatre catégories : liquide, semi-solide, quasi-solide et entièrement solide, dont la semi-solide, la quasi-solide et l'entièrement solide sont collectivement appelées batteries à l'état solide. En raison des différents états de l'électrolyte, les batteries à l'état solide sont différentes des batteries lithium-ion liquides en termes de structure.
2. Développement de la batterie au lithium
Au fur et à mesure que le développement des l'industrie des piles au lithium Dans les domaines des batteries de puissance et des batteries de stockage d'énergie, les exigences fondamentales concernant les batteries au lithium, telles que la capacité spécifique, l'efficacité initiale, la sécurité et la durée des cycles, sont de plus en plus élevées. La densité énergétique des batteries lithium-ion devrait passer à plus de 300Wh/kg dans les cinq prochaines années, mais il est difficile d'atteindre l'objectif d'une densité énergétique supérieure à 350Wh/kg en s'appuyant sur le système ternaire existant.
La batterie à l'état solide présente une amélioration évidente de la capacité spécifique et de la sécurité grâce à sa structure, matériaux de cathodematériaux d'anode et matériaux d'électrolyte.
Comparaison des batteries à l'état liquide et à l'état solide
1. La sécurité
Le risque de sécurité des batteries liquides est principalement dû à l'électrolyte liquide. Selon les dernières informations, les accidents causés par les batteries dans les véhicules électriques sont principalement la combustion spontanée et la déflagration. Le principal déclencheur de la combustion spontanée est l'emballement thermique de la batterie. La batterie est court-circuitée dans un environnement surchargé, à basse température ou à haute température, et la batterie dégage beaucoup de chaleur en peu de temps, ce qui enflamme l'électrolyte liquide à l'intérieur de la batterie et finit par provoquer l'incendie de la batterie.
La batterie à l'état solide, quant à elle, utilise un électrolyte solide, dont la majeure partie est incombustible, ce qui résout le problème d'inflammabilité de l'électrolyte ; en même temps, le film d'électrolyte solide est dense et non poreux, avec une résistance mécanique élevée, ce qui inhibe efficacement le problème de court-circuit causé par l'électrode négative ; il est également meilleur que l'électrolyte en termes de stabilité thermique et électrochimique, ce qui améliore grandement les performances des batteries au lithium en matière de sécurité.
2. Densité énergétique
La densité énergétique de la batterie est directement déterminée par la capacité théorique en grammes et la différence de potentiel électrochimique des matériaux de la cathode et de l'anode. Selon les derniers progrès des batteries à l'état solide, la densité énergétique de la grande batterie cylindrique Tesla 4680 est de 283 Wh/kg, tandis que selon la structure de la batterie à l'état solide CATL, la densité énergétique du phosphate de fer lithié est de 160 Wh/kg, et celle du nickel ternaire élevé peut atteindre 250 Wh/kg.
En octobre 2022, la NASA a présenté sur son site web officiel la recherche et le développement actuels de la NASA en matière de densité énergétique des batteries à l'état solide, qui a atteint 500 Wh/kg, soit près de deux fois plus que la batterie ternaire à haute teneur en nickel.
Les matériaux de la cathode et de l'anode de la batterie à l'état solide peuvent être utilisés avec une plus grande différence de potentiel, et grâce à l'avantage de stabilité de la structure solide, la capacité des matériaux de la cathode et de l'anode peut être augmentée dans le processus de fabrication afin d'améliorer la densité énergétique globale de la batterie.
Toutes les batteries à l'état solide peuvent utiliser du lithium métal comme électrode négative (la capacité spécifique du lithium métal est près de 10 fois supérieure à celle de l'électrode négative en graphite), ce qui devrait augmenter la densité énergétique de plus de 50% avec le même système d'électrode positive, tout en améliorant la densité énergétique PACK de la batterie et en réduisant le coût de celle-ci.
Voie technologique des matériaux d'électrolyte à l'état solide
Les exigences fondamentales sur lesquelles il faut se concentrer dans le processus de construction d'un électrolyte à l'état solide de haute performance sont les suivantes.
① Haute conductivité électrique.
② Bonne stabilité chimique, ne réagissant pas avec les matériaux internes de la batterie.
③ Nombre élevé de migration des ions lithium, un nombre de migration des ions supérieur à 1 est l'état le plus idéal.
④ Propriétés mécaniques et ténacité : pour cinq niveaux d'électrolytes solides, on observe généralement un phénomène plus fragile et plus cassant.
Il existe actuellement trois grandes voies techniques pour les électrolytes solides : les polymères, les oxydes et les sulfures. Les paramètres de performance des trois types d'électrolytes solides ont leurs propres avantages et inconvénients.
Selon la demande d'information du public, en octobre 2022, le produit de la NASA basé sur la voie du sulfure a une densité énergétique de 500 Wh/kg. 2018 Suzhou, Chine, a annoncé le développement d'un produit basé sur la voie de l'oxyde, la densité énergétique de la batterie à l'état solide a atteint 400 Wh/kg ; en décembre 2019, Sakti3 a affirmé avoir développé une batterie à l'état solide avec une densité énergétique de plus de 1000 Wh/kg.
Interface de batterie à l'état solide
L'interface de la batterie à l'état solide se réfère à : ① L'interface à l'intérieur de l'électrolyte solide
② L'interface à l'intérieur du matériau composite de la cathode
③ L'interface entre l'électrolyte solide et le matériau de la cathode
④ L'interface entre l'électrolyte solide et le matériau de l'électrode négative
Le concept d'interface est induit dans les batteries à l'état solide principalement parce que les interfaces en phase solide des matériaux solides ne sont pas mouillables entre elles, ce qui rend difficile l'établissement d'un contact suffisant et forme une résistance de contact plus élevée. En outre, des phénomènes tels que l'interdiffusion d'éléments et la formation de couches de charge d'espace se produisent pendant le cyclage, ce qui affecte les performances de la cellule. Un grand nombre de joints de grains existent dans l'électrolyte cristallin, et la résistance élevée des joints de grains ne favorise pas le transport des ions lithium entre les électrodes positives et négatives.
Afin d'améliorer les performances des différentes interfaces (par exemple, la conductivité, la couche de charge d'espace, etc.), il est nécessaire de mener des activités de R&D et de conception spécifiques en ce qui concerne la structure, le processus de préparation et la sélection des matériaux de la batterie à l'état solide.
Demande du marché
En 2030, la demande mondiale de batteries à l'état solide devrait avoisiner les 500 GWH, avec un marché de plus de 150 milliards d'euros, dont plus de 350 GWH pour les batteries d'énergie à l'état solide.
Selon les prévisions de l'Institut, les livraisons de batteries solides en Chine devraient croître à un rythme élevé entre 2022 et 2030, et pourraient dépasser 250 GWH d'ici 2030. En ce qui concerne les coûts, avec les progrès continus de la technologie des batteries solides, le prix de revient des batteries solides continuera également à baisser, le prix de revient des batteries solides en Chine devant passer de 1,9 yuan/Wh en 2022 à 0,8 yuan/Wh en 2030.
Le prix de revient de la batterie ternaire au lithium en 2022 est d'environ 1 yuan/Wh, et le prix de revient de la batterie au phosphate de fer lithié est de 0,8 yuan/Wh.
Pour l'instant, les batteries liquides ont un avantage en termes de coût par rapport aux batteries à électrolyte solide. Toutefois, avec le développement de la technologie des piles à l'état solide et la mise en œuvre de la production de masse, le coût sera proche de celui des piles liquides, tandis que les avantages de leur densité énergétique élevée et de leur grande sécurité seront mis en évidence.
Ayan Chen
Chers lecteurs, Mon parcours professionnel a commencé par une maîtrise en ingénierie électronique, après laquelle je me suis concentré sur les systèmes d'échange de batteries au lithium. En tant qu'ingénieur dans une entreprise de batteries renommée, j'ai non seulement contribué avec enthousiasme à plusieurs projets réussis de stations d'échange de batteries, mais j'ai également acquis une grande expérience. Par le biais de mes écrits, j'aspire à partager avec vous des idées et des connaissances sur l'échange de batteries de motos.
Recherche sur l'industrie des batteries à l'état solide
Qu'est-ce qu'une batterie à l'état solide ?
1. Définition de la batterie à l'état solide
Selon la classification de l'électrolyte, les batteries au lithium peuvent être divisées en quatre catégories : liquide, semi-solide, quasi-solide et entièrement solide, dont la semi-solide, la quasi-solide et l'entièrement solide sont collectivement appelées batteries à l'état solide. En raison des différents états de l'électrolyte, les batteries à l'état solide sont différentes des batteries lithium-ion liquides en termes de structure.
2. Développement de la batterie au lithium
Au fur et à mesure que le développement des l'industrie des piles au lithium Dans les domaines des batteries de puissance et des batteries de stockage d'énergie, les exigences fondamentales concernant les batteries au lithium, telles que la capacité spécifique, l'efficacité initiale, la sécurité et la durée des cycles, sont de plus en plus élevées. La densité énergétique des batteries lithium-ion devrait passer à plus de 300Wh/kg dans les cinq prochaines années, mais il est difficile d'atteindre l'objectif d'une densité énergétique supérieure à 350Wh/kg en s'appuyant sur le système ternaire existant.
La batterie à l'état solide présente une amélioration évidente de la capacité spécifique et de la sécurité grâce à sa structure, matériaux de cathodematériaux d'anode et matériaux d'électrolyte.
Comparaison des batteries à l'état liquide et à l'état solide
1. La sécurité
Le risque de sécurité des batteries liquides est principalement dû à l'électrolyte liquide. Selon les dernières informations, les accidents causés par les batteries dans les véhicules électriques sont principalement la combustion spontanée et la déflagration. Le principal déclencheur de la combustion spontanée est l'emballement thermique de la batterie. La batterie est court-circuitée dans un environnement surchargé, à basse température ou à haute température, et la batterie dégage beaucoup de chaleur en peu de temps, ce qui enflamme l'électrolyte liquide à l'intérieur de la batterie et finit par provoquer l'incendie de la batterie.
La batterie à l'état solide, quant à elle, utilise un électrolyte solide, dont la majeure partie est incombustible, ce qui résout le problème d'inflammabilité de l'électrolyte ; en même temps, le film d'électrolyte solide est dense et non poreux, avec une résistance mécanique élevée, ce qui inhibe efficacement le problème de court-circuit causé par l'électrode négative ; il est également meilleur que l'électrolyte en termes de stabilité thermique et électrochimique, ce qui améliore grandement les performances des batteries au lithium en matière de sécurité.
2. Densité énergétique
La densité énergétique de la batterie est directement déterminée par la capacité théorique en grammes et la différence de potentiel électrochimique des matériaux de la cathode et de l'anode. Selon les derniers progrès des batteries à l'état solide, la densité énergétique de la grande batterie cylindrique Tesla 4680 est de 283 Wh/kg, tandis que selon la structure de la batterie à l'état solide CATL, la densité énergétique du phosphate de fer lithié est de 160 Wh/kg, et celle du nickel ternaire élevé peut atteindre 250 Wh/kg.
En octobre 2022, la NASA a présenté sur son site web officiel la recherche et le développement actuels de la NASA en matière de densité énergétique des batteries à l'état solide, qui a atteint 500 Wh/kg, soit près de deux fois plus que la batterie ternaire à haute teneur en nickel.
Les matériaux de la cathode et de l'anode de la batterie à l'état solide peuvent être utilisés avec une plus grande différence de potentiel, et grâce à l'avantage de stabilité de la structure solide, la capacité des matériaux de la cathode et de l'anode peut être augmentée dans le processus de fabrication afin d'améliorer la densité énergétique globale de la batterie.
Toutes les batteries à l'état solide peuvent utiliser du lithium métal comme électrode négative (la capacité spécifique du lithium métal est près de 10 fois supérieure à celle de l'électrode négative en graphite), ce qui devrait augmenter la densité énergétique de plus de 50% avec le même système d'électrode positive, tout en améliorant la densité énergétique PACK de la batterie et en réduisant le coût de celle-ci.
Voie technologique des matériaux d'électrolyte à l'état solide
Les exigences fondamentales sur lesquelles il faut se concentrer dans le processus de construction d'un électrolyte à l'état solide de haute performance sont les suivantes.
① Haute conductivité électrique.
② Bonne stabilité chimique, ne réagissant pas avec les matériaux internes de la batterie.
③ Nombre élevé de migration des ions lithium, un nombre de migration des ions supérieur à 1 est l'état le plus idéal.
④ Propriétés mécaniques et ténacité : pour cinq niveaux d'électrolytes solides, on observe généralement un phénomène plus fragile et plus cassant.
Il existe actuellement trois grandes voies techniques pour les électrolytes solides : les polymères, les oxydes et les sulfures. Les paramètres de performance des trois types d'électrolytes solides ont leurs propres avantages et inconvénients.
Selon la demande d'information du public, en octobre 2022, le produit de la NASA basé sur la voie du sulfure a une densité énergétique de 500 Wh/kg. 2018 Suzhou, Chine, a annoncé le développement d'un produit basé sur la voie de l'oxyde, la densité énergétique de la batterie à l'état solide a atteint 400 Wh/kg ; en décembre 2019, Sakti3 a affirmé avoir développé une batterie à l'état solide avec une densité énergétique de plus de 1000 Wh/kg.
Interface de batterie à l'état solide
L'interface de la batterie à l'état solide se réfère à :
① L'interface à l'intérieur de l'électrolyte solide
② L'interface à l'intérieur du matériau composite de la cathode
③ L'interface entre l'électrolyte solide et le matériau de la cathode
④ L'interface entre l'électrolyte solide et le matériau de l'électrode négative
Le concept d'interface est induit dans les batteries à l'état solide principalement parce que les interfaces en phase solide des matériaux solides ne sont pas mouillables entre elles, ce qui rend difficile l'établissement d'un contact suffisant et forme une résistance de contact plus élevée. En outre, des phénomènes tels que l'interdiffusion d'éléments et la formation de couches de charge d'espace se produisent pendant le cyclage, ce qui affecte les performances de la cellule. Un grand nombre de joints de grains existent dans l'électrolyte cristallin, et la résistance élevée des joints de grains ne favorise pas le transport des ions lithium entre les électrodes positives et négatives.
Afin d'améliorer les performances des différentes interfaces (par exemple, la conductivité, la couche de charge d'espace, etc.), il est nécessaire de mener des activités de R&D et de conception spécifiques en ce qui concerne la structure, le processus de préparation et la sélection des matériaux de la batterie à l'état solide.
Demande du marché
En 2030, la demande mondiale de batteries à l'état solide devrait avoisiner les 500 GWH, avec un marché de plus de 150 milliards d'euros, dont plus de 350 GWH pour les batteries d'énergie à l'état solide.
Selon les prévisions de l'Institut, les livraisons de batteries solides en Chine devraient croître à un rythme élevé entre 2022 et 2030, et pourraient dépasser 250 GWH d'ici 2030. En ce qui concerne les coûts, avec les progrès continus de la technologie des batteries solides, le prix de revient des batteries solides continuera également à baisser, le prix de revient des batteries solides en Chine devant passer de 1,9 yuan/Wh en 2022 à 0,8 yuan/Wh en 2030.
Le prix de revient de la batterie ternaire au lithium en 2022 est d'environ 1 yuan/Wh, et le prix de revient de la batterie au phosphate de fer lithié est de 0,8 yuan/Wh.
Pour l'instant, les batteries liquides ont un avantage en termes de coût par rapport aux batteries à électrolyte solide. Toutefois, avec le développement de la technologie des piles à l'état solide et la mise en œuvre de la production de masse, le coût sera proche de celui des piles liquides, tandis que les avantages de leur densité énergétique élevée et de leur grande sécurité seront mis en évidence.